引信熱光伏電源系統(tǒng)中的一種兩段式風(fēng)帽結(jié)構(gòu)*

余春華，齊杏林，高 敏

(解放軍軍械工程學(xué)院，石家莊 050003)

0 引言

熱光伏(thermo photo voltaic，TPV)發(fā)電技術(shù)是將高溫物體的熱輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)。TPV技術(shù)在1956年被美國H.Kolm［1］首次提出。70、80年代美國軍方曾經(jīng)針對將TPV技術(shù)用于野戰(zhàn)發(fā)電機［2］、海底無人車發(fā)電機［3］進行過論證研究，但限于當(dāng)時光電轉(zhuǎn)換單元極其低下的發(fā)電效率，TPV技術(shù)并不實用。直到90年代中期，以銻化鎵(GaSb)為材料的光電轉(zhuǎn)換單元的批量生產(chǎn)，TPV技術(shù)才得到進一步研究和發(fā)展并逐漸走向?qū)嵱谩?008年，美國ARDEC首次提出將TPV技術(shù)應(yīng)用到彈藥上，并進行了實驗，達到了 6級技術(shù)成熟度［4］。2009年，ARDEC的Pereira等人［5］提出將TPV技術(shù)應(yīng)用于引信中，并作為引信混合電源的重要組成部分。Pereira等人提出的引信TPV電源的發(fā)電功率比較低，分析原因是作為TPV系統(tǒng)輻射體的風(fēng)帽的溫度不高，對此，文中提出一種兩段式風(fēng)帽結(jié)構(gòu)，以提高風(fēng)帽頭部的溫度，從而提高發(fā)電功率。

1 引信熱光伏電源系統(tǒng)基本構(gòu)造與作用

引信熱光伏電源系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)可用圖1所示的半剖視圖表示。

圖1 引信熱光伏電源系統(tǒng)

彈丸在超聲速飛行時，由于氣動加熱效應(yīng)［6］，處于其頭部的引信風(fēng)帽不斷被加熱，溫度逐漸升高，最終形成穩(wěn)態(tài)的溫度場。高溫風(fēng)帽的內(nèi)、外表面均向外輻射能量，即熱輻射。

光電轉(zhuǎn)換單元的實質(zhì)是帶兩個電極的半導(dǎo)體PN結(jié)，它可以吸收一定能量的光子并在其兩端形成電動勢，這就是光生伏特效應(yīng)。光電轉(zhuǎn)換單元可以吸收利用的最低能量光子的能量稱為其禁帶寬度［7］。

濾光片具有選擇性透過某些波段光譜的作用。在這里，濾光片可以阻止風(fēng)帽輻射的光子中低于光電轉(zhuǎn)換單元禁帶寬度的光子到達光電轉(zhuǎn)換單元表面，因為這部分光子不僅不能激發(fā)光生伏特效應(yīng)，還會加熱光電轉(zhuǎn)換單元，降低其發(fā)電效率。

由于濾光片的濾光作用不可能完全理想，再加上光電轉(zhuǎn)換單元發(fā)電的過程中也會產(chǎn)生一定的熱量，這會使光電轉(zhuǎn)換單元的溫度逐漸升高，不僅帶來發(fā)電效率的下降，甚至還有可能造成不可逆的損傷［7］。散熱裝置通過加速熱量的轉(zhuǎn)移，延緩光電轉(zhuǎn)換單元的升溫速度。

2 兩段式風(fēng)帽結(jié)構(gòu)及作用原理

根據(jù)斯忒藩-玻耳茲曼定律和維恩位移定律，隨著溫度的升高，風(fēng)帽的熱輻射強度迅速增大，且輻射光譜中心向短波方向移動［8］，即風(fēng)帽溫度越高，光電轉(zhuǎn)換單元可以利用的輻射強度越高，發(fā)電功率就越高。因此，提高風(fēng)帽溫度，尤其是風(fēng)帽頭部內(nèi)表面溫度，成為提高引信熱光伏電源發(fā)電功率的主要手段。

圖2(a)是頭部球面半徑RN=10 mm，尾部錐面半錐角θc=10°，材料為碳化硅(SiC)，腔內(nèi)為空氣，飛行馬赫數(shù)Ma=5的風(fēng)帽頭部的穩(wěn)態(tài)溫度場以等溫線表示的仿真結(jié)果。根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律［9］，熱量總是沿溫度梯度的反方向傳遞，即傳熱方向垂直于等溫線。據(jù)此可判斷出，穩(wěn)態(tài)時，從風(fēng)帽頭部傳入的熱量，最終從風(fēng)帽尾部傳出。圖2(b)為穩(wěn)態(tài)時風(fēng)帽外表面上的凈熱量密度分布曲線，其中橫坐標(biāo)為風(fēng)帽外表面上的點與駐點的水平距離，縱坐標(biāo)為該點的凈熱量密度(氣動熱與輻射熱的代數(shù)和)。曲線很明顯地反映出，風(fēng)帽頭部的凈熱量密度為正值，即為輸入熱流，風(fēng)帽尾部的凈熱量密度為負值，即為輸出熱流。正負分界點剛好就是風(fēng)帽球面和錐面的相切點。

現(xiàn)在假想在正負熱流分界點處存在一絕熱壁面將風(fēng)帽分成前后兩端，那么由于風(fēng)帽頭部向尾部的導(dǎo)熱途徑被阻斷，頭部的溫度將會進一步升高。從頭部傳入的熱量只能通過內(nèi)部空氣向尾部傳遞，進而排出到風(fēng)帽外面。空氣本來就是一種低導(dǎo)熱材料，若再將風(fēng)帽尾部的材料換成一種低導(dǎo)熱材料，那么經(jīng)此路徑傳遞的熱量也會被抑制，從而有利于頭部溫度的升高。

圖2 風(fēng)帽穩(wěn)態(tài)溫度場及凈熱流密度分布

基于上述分析，提出一種由風(fēng)帽輻射體和風(fēng)帽隔熱體通過高溫膠粘劑粘接而成的兩段式風(fēng)帽結(jié)構(gòu)，如圖3所示。風(fēng)帽輻射體采用高導(dǎo)熱率的陶瓷結(jié)構(gòu)材料SiC，導(dǎo)熱率高可以使其溫度分布更均勻，SiC的輻射率較高，以上兩因素結(jié)合可使頭部輻射出的能量盡可能高。風(fēng)帽隔熱體采用低導(dǎo)熱率的陶瓷結(jié)構(gòu)材料氧化鋯(ZrO2)，其低熱導(dǎo)率和低輻射率的特點既有利于提高風(fēng)帽輻射體的溫度，又降低了向內(nèi)部發(fā)電裝置的輻射，即減小了散熱壓力。高溫膠粘劑采用鈉水玻璃膠粘劑。

圖3 兩段式風(fēng)帽結(jié)構(gòu)

3 仿真驗證

為了驗證兩段式風(fēng)帽的效果，借助于流場仿真軟件Fluent，利用已開發(fā)的內(nèi)表面溫度快速數(shù)值計算法，對單材料風(fēng)帽和兩段式風(fēng)帽的內(nèi)表面的穩(wěn)態(tài)溫度分別進行計算，通過對比得出結(jié)論。有關(guān)內(nèi)表面溫度快速數(shù)值計算法及仿真參數(shù)的詳細設(shè)置參見在此之前發(fā)表的文章，這里只給出基本的仿真參數(shù)。

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

1)結(jié)構(gòu)參數(shù)

風(fēng)帽模型1為兩段式風(fēng)帽，模型2為單材料風(fēng)帽。兩個風(fēng)帽模型結(jié)構(gòu)尺寸相同，均由球面和錐面構(gòu)成，其中球面半徑RN=10 mm，錐面半錐角θc=10°，風(fēng)帽厚2 mm，長90 mm。

2)材料參數(shù)

風(fēng)帽模型1中的風(fēng)帽輻射體、高溫膠粘劑、風(fēng)帽隔熱體的材料分別為SiC、鈉水玻璃、ZrO2;模型2的材料全為SiC。上述3種材料的熱物理性質(zhì)見表1。

表1 材料熱物理性質(zhì)［10］

3)飛行參數(shù)

飛行高度恒定為海拔500 m，取此高度的大氣參數(shù)作為飛行來流參數(shù)，忽略重力影響;飛行攻角為0;飛行速度為5 Ma。

3.2 仿真結(jié)果

圖4是仿真所得的兩種風(fēng)帽模型的內(nèi)表面溫度在時刻t=1s，10 s，100 s和穩(wěn)態(tài)時的分布曲線。通過對比發(fā)現(xiàn)，兩段式風(fēng)帽的頭部溫度要高于單材料風(fēng)帽，且分布更加均勻，而其尾部溫度要低于單材料風(fēng)帽，有利于減小散熱裝置的散熱壓力。上述結(jié)果均與上一節(jié)分析的結(jié)果相符。

假設(shè)風(fēng)帽內(nèi)表面的球面部分和錐面部分連接處的圓周線構(gòu)成的平面記為A。為了量化兩段式風(fēng)帽對頭部溫度帶來的影響，利用Fluent中的S2S輻射模型，計算由風(fēng)帽內(nèi)表面的球面部分發(fā)射的且最終到達平面A的輻射功率，所得結(jié)果如表2所示。

表2 入射到平面A的輻射功率 W

表2數(shù)據(jù)表明，風(fēng)帽頭部溫度的升高，確定帶來了輻射功率的巨大提升，在氣動加熱初始階段，這種提升作用尤其明顯。輻射功率的提升，也就使引信熱光伏電源系統(tǒng)的發(fā)電功率得到提升。

圖4 兩種風(fēng)帽模型內(nèi)表面溫度在不同時刻的分布曲線

4 結(jié)論

文中提出了一種用于引信熱光伏電源系統(tǒng)的兩段式風(fēng)帽結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由高導(dǎo)熱率的風(fēng)帽輻射體和低導(dǎo)熱率的風(fēng)帽隔熱體通過高溫膠粘劑粘接而成。理論及數(shù)值計算結(jié)果均表明，與采用單一材料的風(fēng)帽相比，兩段式風(fēng)帽不僅頭部溫度更高，分布更均勻，輻射功率大大提高，而且尾部溫度更低，有利于散熱。總而言之，兩段式風(fēng)帽可以提高引信熱光伏電源系統(tǒng)的發(fā)電功率。但是，由于兩段式風(fēng)帽結(jié)構(gòu)中使用了高溫膠粘劑，目前，雖然有耐熱溫度高達1 500℃的硅酸鹽類膠粘劑，但普遍存在著粘接強度不高，耐水性及高低溫循環(huán)性差等缺點［11］，因此，在高溫膠粘劑方面，還需要開展更深入的研究。

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